1、基于无线传输技术的数据采集系统方案设计摘要工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，并将其传给计算机实时处理。为了克服传统有线传输易干扰、使用不灵活等缺点，本文设计了一种基于无线射频芯片 nRF24L01 和单片机 ATmega8515 的无线数据传输系统。本文以一种基于 RF 的无线数据采集系统验证过程为主要内容，详细阐述了利用无线收发芯片 nRF24L01 设计的数据采集系统的设计流程、开发方法和开发过程，给出了具体的实验方案设计。无线数据采集系统由采样和接收两部分组成，采样端将传感器的输出信号进行模数转换，利用无线数字传输技术将数据发送到接收端，在接收端对数据进行存储和显示。关键词：无线
2、数据采集，nRF4L01，ATmega8515Design of a data acquisition system based on wireless transmission technologyAbstractIn the industrial control， usually 1arge quantity of data needed to be collected and sent to a computer to process timely.In order to overcome the disadvantage of the traditioml wire data tran
3、smission such as inconvenience and bad antHamming，this paper designs a kind of wireless data transmission system based on a wireless RF chipnRF24L01 and a single chip microcomputerATmega8515.The paper contains content with a kind of wireless data acquisition system based on RF,which designed by the
4、receiving and dispatching chip nRF24L01.The paper explains detailedly the design approach,method and procedure,provides the specific experimental design.A wireless data acquisition system is made up of two separated parts: sampling and receiving. The sampling part digitalizes the signal from the sen
5、sor and sends it out using wireless digital transmission technology.Keyword：Wireless Data Acquisition, nRF4L01, ATmega8515第 I 页 共 页目录1 绪论 .11.1 问题的提出 .11.2 近距离无线通信技术的现状与发展趋势 .11.3 本论文拟解决的问题 .51.4 本章小结 .52 无线数据采集系统方案设计 .62.1 设计要求分析 .62.2 系统方案设计 .72.2.1 无线数据传输方案设计 .72.2.2 与 PC 机通信接口方式 .102.3 总体方案设计 .1
6、12.4 系统工作原理 .122.5 本章小结 .123 系统硬件电路设计 .133.1 射频电路设计 .133.1.1 nRF24L01.133.1.2 电路设计 .183.1.3 工作时序分析 .193.2 放大滤波电路设计 .203.2.1 放大电路设计 .203.2.2 滤波电路设计 .213.3 模数转换电路设计 .213.3.1 ADC0804.213.3.2 电路设计 .233.4 单片机制电路设计 .243.4.1 ATmega8515 .253.4.2 SPI 通信原理 .26第 II 页 共 页3.4.3 控制电路设计 .283.5 USB 接口电路设计 .293.5.1
7、CH375.293.5.2 USB 接口电路设计 .303.6 系统总电路图 .313.6.1 采集发射部分 .313.6.2 接收电路 .323.7 本章小结 .334 系统软件设计 .344.1 A/D 转换程序设计 .344.2 发射、接收模块程序设计 .354.3 USB 接口程序设计 .364.3.1 单片机向 USB 接口写数据步骤 .364.3.2 单片机向 USB 接口写数据流程 .374.4 本章小结 .375 总结 .38参 考 文 献 .39致 谢 .41第 1 页 共 41 页1 绪论1.1 问题的提出数据采集系统是科学试验中经常用到的测量环节，通常由信号调理、A/D
8、转换、数据存储数据分析、显示等几个功能模块组成。随着计算机技术的发展，很多公司,如 National Instruments、四川拓普等都推出了基于 PC 机的数据采集系统。这些数据采集系统一般由数据采集卡和专用的软件构成,具有集成度高、性能可靠的优点，且集数据采集、处理、分析于一体，界面友好，操作简便，大大简化了试验过程，因而在工程测试中得到了十分广泛的应用 1。然而，由于具体试验环境千差万别，对数据采集系统的要求也有很大不同，数据采集卡并不能满足所有工程测试的需求，例如对于运动构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位置不固定，使得通过电缆引出信号变得很不可靠，甚至根本不可能。这种情况下。
9、比较好的解决方案就是采用无线数据传输技术，用电磁波来传输传感器信号，也就是构造无线数据采集系统 2。无线通信技术与有线通信技术相比，具有许多突出的优点：首先，无线通信技术可降低投资成本，支持冗余连接配置，数据可达性强，且数据有多条通道可以抵达目的地；其次，它具有成熟可靠的系统安全体系，不会因系统增大而出现不可预料的故障；接着，它可实现远程访问、远程诊断，具有互操作性等等。尤其是在有线网络不通畅或者现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输则显得更加实用、高效、快捷 3。正是无线通信技术所具备的这些优点使其在各行各业得到了广泛的应用，并取得了引人瞩目的成果，本文描
10、述的就是这样一套无线数据采集系统，该系统具有体积小、传输可靠、数据处理灵活方便等优点，在实际数据采集的传感器信号的试验中，取得了理想的效果。1.2 近距离无线通信技术的现状与发展趋势现在无线电技术广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航系统等几个主要方面，尽管在传递信息形式、工作方式、设备等方面有差别，但它们的共同特点都是利用高频无线电波来传递信息，因此设备中产生和接收、检测高频信号的基本功能电路大都是相同的。随着各种近距离无线技术的出现，不可避免的第 2 页 共 41 页在一些应用领域内存在重叠和竞争。从1864年证明电磁波的存在到1904年发明真空二极管，开始进入无线电电子学时代。19
11、07年真空三极管，用它组成具有放大、振荡、变频、调制、检波和波形变换等重要功能的电子线路，为现代千变万化的电子线路提供了“ 心脏” 器件。因而电子管的出现，是电子技术发展史上第一个重要的里程碑。1948年晶体三极管的发明，成为电子技术发展史上的第二个重要的里程碑。20世纪60年代开始出现的将“管” 、 “路”结合起来的集成电路，几十年来已取得极其巨大的成就，中、大规模乃至超大规模集成电路的不断涌现出来，可以说集成电路是电子技术发展史上的第三个重要的里程碑。从无线电技术的诞生到现在，它对人类的生活和生产活动产生了非常深刻的影响 4。随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增
12、长，人们正逐渐认识到在许多测试领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠 5。与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，它们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成测试数据的无线传输。无线通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)、通用分组无线传输技术(GPRS)、EDGE 等
13、。二是基于局域网的技术，如IEEE802.11 WLAN、 Bluetooth、IrDA 、RF 、微功率短距离无线通信技术等 6，7。（1） 红外通信技术（IrDA）红外通信技术采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的近距离无线通信技术 8。它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径为2米，传统速度可达4Mbit/s，1995年IrDA将通信速率扩展到高达 16Mbit/s。红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点，因此广泛应用于各种遥控器、笔记本电脑、PDA、移动电话
14、等移动设备。但红外技第 3 页 共 41 页术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA 设备中的核心部件LED 易磨损。（2） 蓝牙技术（Bluetooth）蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，有效范围大约在l0m半径内，传输速度为1Mbit/s 。它采用跳频、扩频技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(Picone
15、t)。多个微微网之间也可以形成分布式网络 (Scatternet)，从而方便、快速的实现各类设备之间的通信 9，10，11，12 。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点：规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。（3） IEEE802.l1b(Wi-Fi)IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz 的ISM频段，采用直接序列扩频技术（DSSS）进行调制解调，从而增强了抗干扰能力，提高了传输速度 13。802.l1b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP(Access Point)，就可以提供无线网络服务，
16、终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦 14。802.l1b具有有线等价保密机WEP(Wired Equivalent Privacy)确保数据安全，并具有穿透能力、全方位传送、建网速度快、可用来组建大型无线网络、运营成本低、投资回报快等特点，因而受到电信制造商和运营商的青睐。由于该设备比较昂贵，进而妨碍了其推广和应用，目前更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。速度更快的802.l1g使用与802.l1b相同的正交频分多路复用（OFDM）调制技术，它同样工作在2.4GHz频段，速率达 54Mbit/s，比目前通用的802.l1b 快了5倍，
17、并且完全向后兼容802.l1b。802.l1g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，下一代的Wi-Fi标准802.l1n可望达到100Mbit/s。（4） 微功率近距离无线通信技术近年来，随着大规模集成电路技术的发展，近距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控第 4 页 共 41 页制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响 15。射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密
18、协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代近距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。（5） UWB技术UWB(Ultra Wide Band)是一种新发展起来的无线通信技术 ，通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲(小于1ns)产生极大带宽的信号 ，采用脉位调制(Pulse Position Modulati
19、on, PPM)或二进制移相键控(Bi-Phase Shift Keying, BPSK)调制 16。UWB被允许在3.110.6GHz的波段内工作，主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。其中，最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)。UWB有可能在10m 范围内，支持高达110Mb/s 的数据传输率，且不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。从以上介绍可以看出，各种不同的近距离无线通信标准都是根据不同的使用场合、不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。因此，应用者可视实际需求考虑
20、采用性价比最高的解决方案。表1.1为以上五种近距离无线通信技术的对比。表1.1 几种短距离无线通信技术的对比比较列表 红外技术 蓝牙技术 802.11b 微功率无线技术 UWB传输介质 980nm红外光 2.4G射频 2.4G射频 视无线芯片而定 3.1-10.6G通信距离 2Mb/s 2Mb/s 高达500Mb/s系统功耗 较低 较高 高 较低 低第 5 页 共 41 页频率申请 否 否 否 否 要开发难易 易 易 难 易 难从表1.1不难看出，微功率无线通信技术与其他几种通信技术相比具有体积小、成本低、功耗小、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且用户无需对无线通信原理和工作机制有较深的了解，
21、用少量的外围元件和微控器就可实现百米范围内的无线数据传输，因而开发起来快速、容易。基于此，本文将选用微功率无线通信技术作无线连接方式的解决方案。1.3 本论文拟解决的问题本论文研究的主要内容是为数据采集系统选择一种合适的无线通信技术来替代有线连接。本文在前人的基础上，通过查阅大量资料，论述了无线数据传输系统的设计原理和总体方案，重点阐述了系统的硬件设计和软件设计，综合全文，所做的主要工作如下：（1） 根据课题的研究背景，了解当前近距离无线通信技术的发展现状，通过对比选择适合的微功率无线通信技术。（2） 分析了系统的基本组成及各组成单元的功能和性能指标。（3） 确定了无线数据采集系统的总体设计方
22、案。（4） 通过比较选用高速无线射频芯片 nRF24L01，并以它为核心设计了近距离无线数据传输系统，并着重分析了系统的硬件设计和软件设计。其中，硬件设计主要包括射频电路设计、功率放大电路设计、控制电路设计、接口电路设计和供电设计五部分；软件设计则采用模块化的设计思想。（5） 分析了系统调试时出现的各种问题，并对系统的传输距离和传输速率进行了测试。1.4 本章小结本章首先从课题的研究背景出发，剖析了当前数据采集系统的不足和弊端，强调了引入无线传输的必要性；其次详细探讨了目前常见的几种近距离无线通信技术，并通过对比选用微功率无线通信技术作为数据采集无线连接方式的解决方案。最后就论文的主要工作做了
23、简要介绍。第 6 页 共 41 页2 无线数据采集系统方案设计当前数据采集系统连接的常用方法为引线电测法和存储测试法，它们都是基于有线连接的数据传输方式，在测试时存在弊端。引线电测法中，长电线会成为整个测试系统中的薄弱环节；存储测试法无法实时监测系统状态，数据读取不方便。数据采集结束后，必须正确回收测试装置，并插上专用的读数电缆才能读取测试数据。因此，将无线技术引入到数据采集系统中便作为一个新的方案被提了出来。2.1 设计要求分析将无线技术引入到数据采集系统中，就是在数据采集现场实时完成对测试系统的调试、参数设定及状态监测；实时完成对采集数据的采集和存储，并将测试数据通过无线系统传给测量站。根
24、据数据采集的特点，本文所设计的近距离高速无线数据传输系统应满足：（1） 高数据传输率。为了提高测试精度， A/D转换的分辨率一般都在8bit以上。为了获取较长时间的信号，存储器的容量就会比较大，这就对无线传输系统的数据传输速率提出了更高要求。为了能快速的获取测试数据，必须开发高速率的无线传输技术。（2） 较远的通信距离。有些数据采集如爆炸冲击波测试等要求距离不能太近，因此，为了有效、安全的获取测试数据，要求无线系统的有较远传输距离。（3） 严谨的通信协议。由于有些测试现场的地形、地貌复杂，通信环境恶劣，为了使测试数据能够正确、可靠的传输，必须进行专用无线通信协议的开发。（4） 微小体积天线。必须开发一种微小体积天线才能适应大多数数据采集环境。本课题使用单片机控制无线收发芯片的方法，来实现测量数据的无线传输，进而方便地测出数据。无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式，即通过空气或真空实现数据的传送。相比于传统的有线数据传输方式，无线传输
